【正文】 (35)所示。經(jīng)如下計算： (38)式中k——諧波次數(shù)；n——采樣點(從0到N1)；f(n)——A/D采樣信號；F(k)——第k次諧波分量的系數(shù)。由式(39)和(310)比較可知 (311)從(311)可以看出，前一個數(shù)據(jù)窗的計算結(jié)果傳遞給了當前的數(shù)據(jù)窗，而不必重新計算當前數(shù)據(jù)窗內(nèi)的所有元素。(211)、(212)中，就可以求出諧波含有率和總諧波畸變率。但當系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移時，向量將在復平面內(nèi)以的速度旋轉(zhuǎn)。設(shè)系統(tǒng)額定頻率為，系統(tǒng)實際頻率為，為實際頻率變化量，為信號初始相位，則信號的瞬時表達式可表示為： (313)式中——信號的瞬時值。 (316) (317) (318)由式(317)可看出只要精確的計算出，就可以得到頻率偏離值。由式(323)、(324)可以看出。即： (326)令： (327)利用r對式(323)、(324)進行修正，得： (328)根據(jù)式(318)我們最終得到系統(tǒng)實際頻率為： (329)這種頻率測量算法具有較強的抗干擾能力，在實際使用中需要的諧波分量的實部虛部可以利用迭代DFT運算的結(jié)果，并采用自適應采樣，可以保證運算的實時性和精確性。三相系統(tǒng)可以分為對稱三相系統(tǒng)和不對稱三相系統(tǒng)。則根據(jù)式(332)、 (333)(a)來表示。 (a) 正序分量 (b) 負序分量 (c) 零序分量 三相不對稱向量對應的三組對稱分量Fig Corresponding three symmetrical ponent of threephase unbalance vector在實際應用中，向量、來自迭代DFT的結(jié)果，它們表示三相電量的基波分量。電壓有效值(即均方根值)的定義為： (340)由式(340)可以導出有效值的兩種計算方法：第一種是直接把式(339)代入式(340)中并離散化，可以求出： (341)式中——k次諧波有效值。 電壓擾動測量，電力信號中除包含各次諧波外還伴隨著各種干擾與突變，為了正確反映信號的突變時刻的頻率成分，就要求我們在分析電力信號時要進行突變量[35. 張志剛. 王憲杰. 多通道高速數(shù)據(jù)采集故障錄波裝置[J]，電測與儀表，2002，39(3)：1721]的分析。以相電壓擾動引起的突變量測量為例，當系統(tǒng)正常運行時，電壓是穩(wěn)定的，或者說負荷雖時時有變化，但不會在一個工頻周期這樣短的時間內(nèi)突然變化發(fā)生很大變化，因此兩周期對應點的電壓應當接近相等，突變量等于或近似等于零。不過使用式(343)來對突變量進行測量存在缺陷。這樣就可以避免頻率偏移對電壓擾動算法的影響，保證測量的準確性。 所記錄的數(shù)據(jù)可靠安全、滿足要求、不失真。錄波子系統(tǒng)分布在電力系統(tǒng)的各點上，對電力系統(tǒng)進行多點故障診斷[36. 肖馳. 電力系統(tǒng)振蕩實時監(jiān)測研究[D]，山東，山東大學，2005]，記錄故障發(fā)生時系統(tǒng)的動態(tài)電參量及開關(guān)量的狀態(tài)。GPS對時系統(tǒng)包含在錄波子系統(tǒng)當中，提供了標準統(tǒng)一時間，保證整個系統(tǒng)時間同步?？紤]到錄波子系統(tǒng)的功能要求，它的設(shè)計主要以信號處理和數(shù)據(jù)調(diào)度為主，并附有一定的控制功能。本系統(tǒng)中每個錄波設(shè)備支持同時分析8路模擬量，包括4路電流信號和4路電壓信號，并支持32路開頭量采集，來監(jiān)測開關(guān)變位情況。為保證模塊的精確性，選用了ADI公司的AD7656芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。那么這部分功能就是由通信調(diào)度模塊來管理里。通信調(diào)度的核心任務主要是負責一系列事務性的處理工作，在這方面ARM微處理器具有明顯的優(yōu)勢。通過網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)信息共享，相關(guān)人員也可以訪問服務器上的故障記錄，做進一步的故障分析。這些測量算法是在對電能質(zhì)量國家標準深入研究的基礎(chǔ)上，以電能質(zhì)量衡量方法的計算要求為思路提出的。內(nèi)容包括錄播設(shè)備整體設(shè)計框圖、主要部分芯片選型、各功能模塊設(shè)計等。： 錄波設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖 Overall structure of power recorder，錄波設(shè)備采用DSP+ARM雙處理器[37. 鄭宏婕. 嚴桂. 基于DSP和ARM的電力故障錄波器的設(shè)計[J]，電測與儀表，2007，44(502)：4547]的體系結(jié)構(gòu)，兩個處理的地位平等，通過雙端口RAM進行數(shù)據(jù)交換，相互獨立互不影響，保證了DSP的快速運行和ARM對數(shù)據(jù)通信的調(diào)度管理。在ARM端，由于數(shù)據(jù)保存的需要外擴了非易失性存儲器NANDFLASH芯片。 模擬前端電路在第三章中我們介紹了作為錄波判據(jù)依據(jù)的數(shù)字測量算法，這套算法的一些特性，一定程度上決定了信號調(diào)理模塊的設(shè)計。這在很大程度上降低了系統(tǒng)復雜度和成本。本系統(tǒng)選用兵字TV10131型微型精密交流電壓互感器，互感器變比為1:1。有了信號處理模塊的這些任務，設(shè)計方向就比較明確了。TMS320C33 DSP芯片是TI公司的浮點處理器，是TMS320C3x系列的新一代浮點DSP。TMS320C33采用了改進的哈佛結(jié)構(gòu)[38. TMS320C33 Digital Signal Processor [M], Texas Instruments Incorporated, 2004,37]，首先是采用了獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，但在程序總線和數(shù)據(jù)總線中采用了交叉連接，允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運算指令直接使用，增強了芯片的靈活性，提高了運算速度，只要調(diào)度好連個獨立的總線就可使處理能力得到提高，實現(xiàn)全速運行。CPLD實現(xiàn)的控制信號包括：對DSP外部存儲空間的片選及讀寫信號，軟件方式實現(xiàn)DSP看門狗，以及ADC的選通、啟動和開關(guān)量變化的檢測。它還包含一個低噪聲、寬帶采樣保持放大器(T/H)，以便處理輸入頻率高達8MHz的信號。AD7656具體參數(shù)為16位、23通道雙極性高阻模擬輸入，通道最高吞吐率可高達250ksps?！?，～。兩片AD7656同時獲得的兩路轉(zhuǎn)換結(jié)果，分別作為數(shù)據(jù)總線上低16位和高16位直接送入DSP。這款芯片擁有256K 16bit的存儲能力，設(shè)計和使用都比較方便。當然它還有轉(zhuǎn)發(fā)遠程監(jiān)控子系統(tǒng)下達的判據(jù)定制信息給信號處理模塊的功能。但是這一點卻是ARM處理器的強項。同時，ARM構(gòu)架又是面向低成本預算設(shè)計的第一款RISC處理器。這款芯片就是基于高性能的ARM7TDMI內(nèi)核的產(chǎn)品[41. STR71x Microcontroller Reference Manual[M], STMicroelectronics, 2004, 1621]，擁有豐富的外設(shè)和增強I/O功能。I/O端口包括P0、PP2三個16位的端口，其他的外設(shè)接口引腳都與I/O端口的引腳功能復用。本文直接選用WIZnet公司的NM7010A以太網(wǎng)模塊用極小的系統(tǒng)資源快速實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。支持MCU總線并行接口和I2C接口，由于內(nèi)嵌硬件以太網(wǎng)協(xié)議，所以將它與STR710數(shù)據(jù)總線相連把NM7010A簡單地看 NM7010A以太網(wǎng)模塊結(jié)構(gòu)圖 Structure of NM7010A Ethernet module成一個外部存儲單元，對它進行讀寫數(shù)據(jù)操作以及有關(guān)的配置，而不必關(guān)心具體的以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)。因此，可以方便地把NM7010A模塊看成是ARM的一個外擴存儲器。本文中的無線模塊采用了BenQ公司的M23GPRS無線模塊[43. BenQ M23A GSM/GPRS Wireless Module Technical Datasheet[M], BenQ Corporation, 2005, 2623]。此外，使用GPRS技術(shù)也十分經(jīng)濟，因為只須利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡來即可。BenQ M23 。雖然GPRS是作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡向第三代移動通信演變的過渡技術(shù)，但是它在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢。通俗地講，GPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，方法是以分組的形式傳送資料到無線終端上?？紤]到這種問題，本文將GPRS無線傳輸方式引入了錄波設(shè)備的設(shè)計中。 NM7010A以太網(wǎng)模塊電路設(shè)計原理圖 Circuit design schematic diagram of NM7010A Ethernet module在使用時通過ARM向以太網(wǎng)模塊寫入數(shù)據(jù)，NM7010A便會自動組織數(shù)據(jù)裝幀打包，遵守TCP/IP協(xié)議發(fā)送到以太網(wǎng)上去。它涵蓋了TCP/IP MAC協(xié)議層、物理層和以太網(wǎng)連接器RJ45，支持10/100M ，可以很方便地接入以太網(wǎng)。 以太網(wǎng)模塊STR710內(nèi)部沒有以太網(wǎng)控制器，要實現(xiàn)以太網(wǎng)功能并保證傳輸速率，主要有兩種方法，一是用ARM處理器運行操作系統(tǒng)，使用系統(tǒng)自帶的TCP/IP協(xié)議棧，來實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，二是外擴以太網(wǎng)控制模塊。由于內(nèi)嵌ARM內(nèi)核，所以它與所有的ARM開發(fā)工具和軟件兼容，同時ST公司還提供了一些軟件開發(fā)包，使得開發(fā)方便簡單。最成功的ARM內(nèi)核之一——ARM7TDMI，具有最高120 Dhrystone MIPS的性能、較高的代碼密度和低功耗等特點，使它成為嵌入式設(shè)備的最佳選擇。這樣一來錄播設(shè)備就成為了DSP+ARM的設(shè)計體系。采用這種設(shè)計是出于保證錄波設(shè)備的實時性和精確性來考慮的。這樣一來就可以方便的存取32位數(shù)據(jù)信息了。 AD7656芯片工作時序圖 Time sequence diagram of AD7656AD7656采樣過程是DSP向CPLD發(fā)出訪問ADC的信號，控制ADC完成采樣和轉(zhuǎn)換，具體過程是，首先將ADC芯片CONVSTx管腳置為高電平至少550ns，這時候ADC芯片會自動完成采樣急轉(zhuǎn)換的工作，在此期間ADC會產(chǎn)生一個高電平BUSY信號，表示自己正在工作，接著，DSP就可以從ADC讀數(shù)據(jù)了，先產(chǎn)生低電平CS片選信號，再在RD讀信號低電平期間完成讀數(shù)據(jù)操作。AD7656支持并口和高速串口通信兩種方式，本設(shè)計為獲得較高的傳輸速率采用并口方式將轉(zhuǎn)換后的ADC數(shù)據(jù)線掛接到DSP數(shù)據(jù)總線上。10V、177。該器件的功耗比最接近的同類雙極型ADC降低了60%，在每通道250kS/s的采樣速率下采樣精度 (177。 AD轉(zhuǎn)換電路AD7656是ADI公司生產(chǎn)的16位雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[40. 250kSPS,6channel,simultaneous,Sampling,Bipolar 16bit AD7656[M], ANALOG DEVICES, 2006, 34]，它采用iCMOS工藝制造，是高集成度、6通道、16bit逐次逼近(SAR)型ADC。其中頁選通信號是由芯片的地址線A22和A23經(jīng)過一碼產(chǎn)生的，外部存取選通信號也是由地址線決定的，RDY、HOLD是總線狀態(tài)的控制信號，R/W根據(jù)數(shù)據(jù)總線的輸入輸出狀態(tài)而取不同電平。、因此功耗比原有型號降低了大約一個數(shù)量級。下面介紹詳細設(shè)計。 電壓信號調(diào)理電路原理圖 Schematic diagram ofvoltage regulation circuit 信號處理模塊設(shè)計信號處理模塊是整個錄波設(shè)備的核心，它負責數(shù)字測量算法的實施和信號的實時判據(jù)，錄波設(shè)備是否能正確判斷電力系統(tǒng)故障并且精確為故障點定時完全依靠信號處理模塊的處理能力。系統(tǒng)選用兵字TA1420立式穿芯小型精密交流電流互感器，互感器變比為6000：1，它具有全封閉、機械和耐環(huán)境性能好、電壓隔離能力強、安全可靠等優(yōu)點。與基于FIR濾波算法不同，在后續(xù)信號處理模塊采用的時頻分析方法分析得到電力信號中包含的不同頻段的頻率特征，這樣就可以省去在信號調(diào)理單元復雜的硬件濾波器設(shè)計，以濾除特定頻段范圍的高頻噪聲。本章主要介紹信號處理模塊和通信調(diào)度模塊的設(shè)計，但是在這之前需要先了解一下信號調(diào)理模塊。DSP內(nèi)部的存儲空間十分有限，因此需要片外存儲器的輔助，DSP計算過程中的數(shù)據(jù)保存在外擴的SRAM芯片中。其中硬件設(shè)計的重點主要在信號處理模塊和通信調(diào)度模塊上。其次，本章提出了電力系統(tǒng)故障實時錄波通信系統(tǒng)的總體設(shè)計，并對各個子系統(tǒng)和各個模塊的功能作了簡單的闡述。通信模塊集成了以太網(wǎng)、GPRS無線網(wǎng)、CAN總線、485總線等通信方式與設(shè)備結(jié)點通信，用戶可以根據(jù)條件選擇其中的一種或多種。 通信調(diào)度模塊結(jié)構(gòu)圖Fig Stucture of munication scheduling module 遠程監(jiān)控子系統(tǒng)遠程監(jiān)控子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務器及網(wǎng)絡客戶端組成。當發(fā)生故障時，它負責接收數(shù)據(jù)處理單元的故障記錄，然后把數(shù)據(jù)緩存到FLASH中，同時通過以太網(wǎng)、CAN總線、485總線等通信接口上傳至上位機，供專家進一步的故障分析。信號處理模塊的數(shù)據(jù)通過DPRAM芯片與通信調(diào)度模塊交換。信號處理模塊必須具有實時性與精確性的特點，能夠快速完成作為判據(jù)依據(jù)的數(shù)字測量算法，對電力系統(tǒng)進行實時監(jiān)測與分析，并在電力系統(tǒng)故障時快速準確地對故障數(shù)據(jù)進行記錄。 信號調(diào)理模塊信號調(diào)理模塊的功能是負責電力系統(tǒng)數(shù)字量與模擬量信號的隔離與變換以供信號處理模板進行采樣，對模擬量還要進行濾波處理，以消除5kHz以上的干擾。 錄波子系統(tǒng)錄波子系統(tǒng)有多個錄波設(shè)備節(jié)點組成，工作在電力系統(tǒng)的各個點上。錄播子系統(tǒng)與遠程監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成C/S模式。其選擇原則是： 適應分析數(shù)據(jù)的要求、滿足運行部門故障分析和系統(tǒng)分析的需要、盡可能只記錄和輸出滿足實際需要的數(shù)據(jù)、各安裝點記錄及輸出的數(shù)據(jù)，應能在時間上同步，以適應集中處理系統(tǒng)全部信息的要求?，F(xiàn)將電力系統(tǒng)故障錄播通信系統(tǒng)所應滿足的要求總結(jié)如下：當系統(tǒng)發(fā)生大擾